銩激光光纖：中紅外醫(yī)療與工業(yè)應(yīng)用的新一代光源核心

在激光技術(shù)飛速發(fā)展的今天，不同波長的激光器因其獨特的物理特性被廣泛應(yīng)用于通信、制造、科研和醫(yī)療等領(lǐng)域。其中，銩（Thulium,Tm）摻雜光纖激光器憑借其發(fā)射波長位于1.9–2.1微米的中紅外波段，恰好處于水的強吸收峰附近，使其在精準(zhǔn)醫(yī)療、材料加工、遙感探測及國防安全等方向展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢。而作為該類激光器的核心增益介質(zhì)——銩激光光纖，其材料設(shè)計、摻雜工藝與光學(xué)性能直接決定了整機系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和應(yīng)用潛力。

一、工作原理

銩激光光纖是一種以石英或氟化物玻璃為基質(zhì)、摻入三價銩離子（Tm³?）的特種有源光纖。當(dāng)受到泵浦光源（通常為790 nm或1550–1600 nm激光二極管）激發(fā)時，Tm³?離子經(jīng)歷復(fù)雜的能級躍遷過程，最終實現(xiàn)~2μm波段的受激輻射。

其中代表性的泵浦機制是“交叉弛豫（Cross Relaxation）”過程：一個被激發(fā)至³H?能級的Tm³?離子，可將部分能量轉(zhuǎn)移給鄰近的基態(tài)Tm³?離子，使兩者分別躍遷至³F?能級。這一過程理論上可實現(xiàn)量子效率接近200%，即一個泵浦光子產(chǎn)生兩個激光光子，極大提升了能量轉(zhuǎn)換效率。因此，銩光纖激光器在1.9–2.1μm波段可實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的連續(xù)或脈沖輸出。

二、關(guān)鍵技術(shù)特點

1.波長優(yōu)勢：水吸收峰值匹配

水在1.94μm處具有吸收系數(shù)（約30 cm?¹），遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)1.06μm Nd:YAG激光。這意味著銩激光在生物組織中穿透深度淺（通常<0.5 mm），熱損傷區(qū)域小，止血效果好，特別適合精細(xì)軟組織切割與汽化。

2.光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計

銩激光光纖通常采用雙包層結(jié)構(gòu)：纖芯摻Tm³?，用于激光產(chǎn)生；內(nèi)包層為大數(shù)值孔徑（NA）的聚合物或低折射率玻璃，用于高效耦合多模泵浦光。近年來，光子晶體光纖（PCF）和微結(jié)構(gòu)光纖也被用于優(yōu)化模式控制與非線性抑制。

3.共摻雜技術(shù)提升性能

為提高泵浦吸收效率和抑制上轉(zhuǎn)換損耗，常在光纖中共摻鋁（Al）、鍺（Ge）或鈥（Ho）。例如，Al³?可拓寬Tm³?的吸收帶寬，使790 nm泵浦更高效；而Tm-Ho共摻則可將激光波長延伸至2.1μm，適用于更深層組織治療或大氣窗口通信。

4.高功率與散熱管理

隨著千瓦級銩光纖激光器的出現(xiàn)，光纖的熱管理成為關(guān)鍵。通過優(yōu)化纖芯/包層比例、采用低光子暗化（photodarkening）玻璃組分及強制冷卻封裝，可有效提升長期運行穩(wěn)定性。

三、典型應(yīng)用場景

1.醫(yī)療領(lǐng)域：微創(chuàng)手術(shù)的“黃金波長”

銩激光已成為泌尿外科（如前列腺剜除術(shù)、膀胱腫瘤切除）、耳鼻喉科、婦科及牙科手術(shù)的主流工具。相比傳統(tǒng)電刀或CO?激光，銩激光具有：

切割精準(zhǔn)、炭化少；

同步止血，術(shù)野清晰；

可通過柔性石英光纖傳輸，兼容內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，實現(xiàn)經(jīng)自然腔道的無創(chuàng)介入。

臨床數(shù)據(jù)顯示，銩激光前列腺手術(shù)（ThuLEP）的住院時間更短、并發(fā)癥更低，正逐步取代鈥激光和等離子電切。

2.工業(yè)加工：高分子與復(fù)合材料的理想光源

2μm激光對聚碳酸酯、PMMA、碳纖維復(fù)合材料等有機物具有高吸收率，可用于精密打標(biāo)、切割和焊接，且熱影響區(qū)小、邊緣無毛刺。此外，在激光雷達(dá)（LIDAR）和氣體傳感中，該波段處于“大氣窗口”，適用于遠(yuǎn)程甲烷、水蒸氣等氣體檢測。

3.科研與國防

銩光纖激光器還可作為光參量振蕩器（OPO）的泵浦源，進(jìn)一步拓展至3–5μm中紅外波段，用于紅外對抗、環(huán)境監(jiān)測和基礎(chǔ)物理研究。

銩激光光纖作為2μm波段高功率激光的核心載體，不僅推動了激光醫(yī)學(xué)的革命性進(jìn)步，也為先進(jìn)制造和光電探測開辟了新路徑。其獨特的波長優(yōu)勢、高效的能量轉(zhuǎn)換機制與光纖平臺的天然兼容性，使其成為中紅外激光領(lǐng)域前景的技術(shù)方向之一。